Preparação de suspensões aquosas de nanopartículas de carbono para deposição em superfícies

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Materiais

Optimization of magnetoelectric composites based on electroactive polymers for energy harvesting and sensor application

Tese de Doutoramento em Engenharia de Materiais.

Algorithms and computational tools for metabolic flux analysis

PhD thesis in Biomedical Engineering

Semipermeable capsules wrapping a multifunctional and self-regulated co-culture microenvironment for osteogenic differentiation

A new concept of semipermeable reservoirs containing co-cultures of cells and supporting microparticles is presented, inspired by the multi-phenotypic cellular environment of bone. Based on the deconstruction of the â stem cell nicheâ , the developed capsules are designed to drive a self-regulated osteogenesis. PLLA microparticles functionalized with collagen I, and a co-culture of adipose stem (ASCs) and endothelial (ECs) cells are immobilized in spherical liquified capsules. The capsules are coated with multilayers of poly(L-lysine), alginate, and chitosan nano-assembled through layer-by-layer. Capsules encapsulating ASCs alone or in a co-culture with ECs are cultured in endothelial medium with or without osteogenic differentiation factors. Results show that osteogenesis is enhanced by the co-encapsulation, which occurs even in the absence of differentiation factors. These findings are supported by an increased ALP activity and matrix mineralization, osteopontin detection, and the up regulation of BMP-2, RUNX2 and BSP. The liquified co-capsules also act as a VEGF and BMP-2 cytokines release system. The proposed liquified capsules might be a valuable injectable self-regulated system for bone regeneration employing highly translational cell sources.

Closed hybrid hierarchical reservoirs based on the deconstruction of the cellular native microenvironment

The stem cell niche organization and dynamics provide valuable cues for the development of mimetic environments that could have potential to stimulate the regenerative process. We propose the use of biodegradable biomaterials to produce closed miniaturised structures able to encapsulate different cell types or bioactive molecules. In particular, capsules are fabricated using the so-called layer-by-layer technology, where the consecutive (nano-sized) layers are well stabilized by electrostatic interactions or other weak forces. Using alginate-based spherical templates containing cells or other elements (e.g. proteins, magnetic nanoparticles, microparticles) it is possible to produce liquefied capsules that may entrap the entire cargo under mild conditions. The inclusion of liquefied micropcapsules may be used to produce hierarchical compartmentalised systems for the delivery of bioactive agents. The presence of solid microparticles inside such capsules offers adequate surface area for adherent cell attachment increasing the biological performance of these hierarchical systems, while maintain both permeability and injectability. We demonstrated that the encapsulation of distinct cell types (including mesenchymal stem cells and endothelial cells) enhances the osteogenic capability of this system, that could be useful in bone tissue engineering applications.

Folate-targeted nanoparticles for rheumatoid arthritis therapy

Rheumatoid arthritis (RA) is the most common inflammatory rheumatic disease, affecting almost 1% of the world population. Although the cause of RA remains unknown, the complex interaction between immune mediators (cytokines and effector cells) is responsible for the joint damage that begins at the synovial membrane. Activated macrophages are critical in the pathogenesis of RA and have been shown to specifically express a receptor for the vitamin folic acid (FA), folate receptor (FR). This particular receptor allows internalization of FA-coupled cargo. In this review we will address the potential of nanoparticles as an effective drug delivery system for therapies that will directly target activated macrophages. Special attention will be given to stealth degree of the nanoparticles as a strategy to avoid clearance by macrophages of the mononuclear phagocytic system (MPS). This review summarizes the application of FA-target nanoparticles as drug delivery systems for RA and proposes prospective future directions.

Zebrafish embryos as in vivo model for toxicity evaluation: screening of nanoparticle formulations DODAB:MO and DODAC:MO

Dissertação de mestrado em Molecular Genetics

Chemical functionalization in bionanoparticles

Dissertação de mestrado em Biofísica e Bionanossistemas

Bacterial cellulose-lactoferrin as an antimicrobial edible packaging

Bacterial cellulose (BC) films from two distinct sources (obtained by static culture with Gluconacetobacter xylinus ATCC 53582 (BC1) and from a commercial source (BC2)) were modified by bovine lactoferrin (bLF) adsorption. The functionalized films (BC+bLF) were assessed as edible antimicrobial packaging, for use in direct contact with highly perishable foods, specifically fresh sausage as a model of meat products. BC+bLF films and sausage casings were characterized regarding their water vapour permeability (WVP), mechanical properties, and bactericidal efficiency against two food pathogens, Escherichia coli and Staphylococcus aureus. Considering their edibility, an in vitro gastrointestinal tract model was used to study the changes occurring in the BC films during passage through the gastrointestinal tract. Moreover, the cytotoxicity of the BC films against 3T3 mouse embryo fibroblasts was evaluated. BC1 and BC2 showed equivalent density, WVP and maximum tensile strength. The percentage of bactericidal efficiency of BC1 and BC2 with adsorbed bLF (BC1+bLF and BC2+bLF, respectively) in the standalone films and in inoculated fresh sausages, was similar against E. coli (mean reduction 69 % in the films per se versus 94 % in the sausages) and S. aureus (mean reduction 97 % in the films per se versus 36 % in the case sausages). Moreover, the BC1+bLF and BC2+bLF films significantly hindered the specific growth rate of both bacteria. Finally, no relevant cytotoxicity against 3T3 fibroblasts was found for the films before and after the simulated digestion. BC films with adsorbed bLF may constitute an approach in the development of bio-based edible antimicrobial packaging systems.

Development of nanohydrogels as a vehicle for the release of bioactive compounds in food matrices

PhD in Chemical and Biological Engineering

Síntesis, caracterización y aplicaciones específicas de metalosilicatos cristalinos micro y mesoporosos con incorporación de nanoestructuras. Synthesis, characterization and specific aplications of crystalline micro and mesoporous metallosilicates with nanostructures.

La síntesis de materiales cristalinos micro y mesoporosos con incorporación de micro/nano partículas/clusters de especies formadas con entidades propias interaccionando con las redes, como óxidos de metales, cationes de neutralización, especies metálicas, etc., pueden potencialmente ser utilizados como "materiales hospedaje" en óptica, electrónica, sensores, como materiales magnéticos, en estrategias ambientales de control de la contaminación, catálisis en general y procesos de separación. Se sintetizaran y caracterizaran por diversas técnicas fisicoquímicas, zeolitas microporosas de poro medio (ZSM) y poro grande (Y), y materiales mesoporosos (MCM-41). La aplicación de los mismos se orientara, por una parte, a procesos catalíticos tecnológicamente innovadores relacionados con los siguientes campos: a)catálisis ambiental: transformación de desechos plásticos (polietileno, polipropileno, poliestireno o mezclas de los mismos) a hidrocarburos de mayor valor agregado (gasolinas, gasoil, gases licuados de petróleo, hidrocarburos aromáticos); b)química fina: oxidación parcial de hidrocarburos aromáticos hacia la obtención de commodities, fármacos, etc. Por otra parte, se evaluaran las propiedades magnéticas (ferromagnetismo, paramagnetismo, superparamagnetismo, diamagnetismo) que algunos de estos materiales presentan, en busca de su correlación con sus propiedades catalíticas, cuando sea factible. Se estudiaran las condiciones óptimas de síntesis de los materiales, aplicando técnicas hidrotermicas o sol gel, controlando variables como temperaturas y tiempos de síntesis, pH de geles iniciales-intermedios-finales, tipo de fuentes precursoras, etc. La modificación de las matrices con Co, Cr, Mn, H, o Zn, se realizara mediante diversos tratamientos químicos (intercambio, impregnación) a partir de las sales correspondientes, con el objeto de incorporar elementos activos al estado iónico, metálico, clusters, etc.; y la influencia de distintos tratamientos térmicos (oxidantes, inertes o reductores; atmósferas dinámicas o estáticas; temperaturas). La caracterización estructural de los materiales será por: AA (cuantificación elemental de bulk); XRD (determinacion de presencia de especies oxidos o metalicas de Zn, Co, Cr, o Mn; determinacion de cristalinidad y estructura); BET (determinacion de area superficial); DSC-TG-DTA (determinacion de estabilidad de las matrices sintetizadas); FTIR de piridina (determinacion de tipo-fuerza-cantidad de sitios activos); Raman y UV-reflectancia difusa (determinacion de especies ionicas interacturando o depositadas sobre las matrices); TPR (identificacion de especies reducibles); SEM-EDAX (determinacion de tamaño de particulas de especies activas y de las matrices y cuanfiticacion superficial); Magnetómetros SQUID y de muestra vibrante (medición de magnetización y susceptibilidad magnética a temperatura ambiente con variación de campo externo aplicado, y variación de temperaturas (4 a 300 K) con campo externo fijo). En síntesis, se plantean tres grandes áreas de trabajo: No1)Síntesis y caracterización de materiales micro y mesoporosos nanoestructurados; No2) Evaluación de las propiedades catalíticas; No3) Evaluación de las propiedades magnéticas. Estos lineamientos nos permitirán generar nuevos conocimientos científicos-tecnológicos, formando recursos humanos (dos becarios posdoctorales; un becario doctoral; tres becarios alumnos de investigación; aproximadamente 15 pasantes de grado al año) aptos para emprender tales desafíos. Los conocimientos originados son constantemente trabajados en las actividades docentes de grado y posgrado que los integrantes del proyecto poseen. Finalmente serán transmitidos y puestos a consideración de pares evaluadores en presentaciones a congresos nacionales e internacionales y revistas especializadas.

Síntesis y Caracterización de Materiales Nanoestructurados para el Almacenamiento de Hidrógeno. Hidrogen storage: Synthesis and characterization of nanostructured materials.

El hidrógeno tiene, actualmente, una atención considerable por su posible uso como combustible limpio y otros usos industriales y se ha demostrado que es posible hacer funcionar motores de combustión interna, por lo tanto es una alternativa viable respecto de fuentes de energía no renovables como el petróleo y tal vez sea en el futuro la tecnología más prometedora para reducir la contaminación, conservando el suministro de combustibles fósiles. Uno de los principales problemas para la utilización del hidrógeno como combustible es el del almacenamiento para que pueda ser seguro y transportable con todos los riesgos que esto supone. En este sentido el estudio de la adsorción de polímeros conductores (tal como polianilina, PANI o polipirrol PPy) y su posterior polimerización sobre hospedajes como aluminosilicatos meso y microporosos y carbones mesoporosos, es de suma importancia por sus propiedades para el almacenamiento de H2. El objetivo general de este proyecto es Investigar el almacenamiento de hidrógeno en nuevos composites nano/microestructurados. La síntesis de materiales micro/mesoporosos (MFI, MEL, BEA, L, MS41, SBA-15, SBA-1, SBA-3, SBA-16, CMK-3) para usos como hospedaje se realizan por sol-gel o síntesis hidrotérmica y se modificarán con TiO2, CeO2, ZrO2 y eventualmente con Ir, Ni, Zr. Muestras de estos hospedajes serán expuestos a vapores del monómero puro (anilina o pirrol). Luego se polimerizarán por polimerización oxidativa. Los nanocomposites sintetizados se caracterizarán por XRD, FTIR, DSC, TGA, SEM, TEM, EXFAS, XANES, UV-Vis. La adsorción de hidrógeno sobre los composites se llevará a cabo en un Reactor Parr, desde presiones atmosféricas y a altas presiones y varias temperaturas de adsorción . Los estudios de desorción de hidrogeno se llevarán a cabo en un equipo Chemisorb Micrometrics y se realizarán estudios termogravimétricos y de capacidad de retención de Hidrogeno por el nanocomposite. La importancia del estudio de este proceso tiene importantes implicancias económicas y sociales que serán preponderantes en el futuro debido a las cada vez más exigentes regulaciones ambientales. Además se contribuirá al avance del conocimiento científico, ya que es posible diseñar nuevos materiales, los que además permitirán generar reservorios de H2 con alta eficiencia. Por lo consiguiente: - Se desarrollarán nuevos materiales nanoestructurados, micro y mesoporosos y nanoclusters de especies activas en los hospedajes como así también la inclusión de polímeros (PANI, PPy) dentro de los canales de estos materiales. - Se caracterizarán estos materiales por métodos espectroscópicos (fisicoquímica de superficie). - Se estudiará la adsorción /absorcion de H2 en los nuevos materiales desarrollados. -Se aplicarán métodos de diseño de experimento (RDS), para optimizar el proceso de almacenamiento de H2, nivel de interacción de variables sinérgicas o colinérgicas.

VACUNAS: estudio de un sistema portador (nanoestructura) del adyuvante CpG-ODN para la inducción de una respuesta inmune

Numerosas sustancias fueron ensayadas como adyuvantes de vacunas pero sólo un número reducido se utiliza en veterinaria y humanos (1) (2). El “aluminio” es el único aprobado por la FDA para humano (3). Es seguro pero débil cuando se utiliza como inmunógeno proteínas recombinantes (4) y no genera Th1 y CTL (5-7). Las vacunas de nueva generación trajeron aparejado el advenimiento de una nueva generación de adyuvantes, entre ellos los CpG-ODN. Este adyuvante induce respuesta humoral, Th1 y CTL (8). CpG-ODN se utiliza en humanos, en muchos casos con éxito (“trials” clínicos en fase I-III). Un beneficio adicional es su habilidad de desarrollar una respuesta inmune efectiva en grupos que responden poco a la vacunación (neonatos, ancianos e inmunosuprimidos) (9-12). Sin embargo, a pesar de que existe plena evidencia que CpG-ODN tienen potente actividad como adyuvante, se visualizan varios problemas (vida media corta, biodistribución y farmacocinética no favorable, alta unión a proteínas plasmáticas, baja internalización celular y efectos independientes de la secuencia CpG (13)) que hacen que su biodisponibilidad sea reducida, hecho que representa una limitación para su uso clínico. Debido a esto, se han estudiado diferentes estrategias para formular CpG-ODN (liposomas, nano/micropartículas de lípidos catiónicos o polímeros biodegradables y emulsiones) (14-19). Estos sistemas han mejorado la actividad inmunoestimulatoria de CpG-ODN, sin embargo adolecen de problemas como son la imposibilidad de síntesis en escala comercial y la toxicidad observada sobre todo con las matrices catiónicas (20). Nosotros proponemos utilizar sistemas nanoestructurados de cristales líquidos formados a partir de ésteres del ácido ascórbico (coageles) como vehículo de CpG-ODN con el fin de promover un aumento de su actividad biológica. Utilizaremos la nanoestructura del ester formado entre el ácido ascórbico y ácido palmítico (coagel ASC16). Nuestros estudios previos indican que el coagel ASC16 aumenta la actividad adyuvante de CpG-ODN ya que ratones inmunizados con OVA/CpG-ODN/coagel ASC16 desarrollaron mayores títulos de anticuerpos (IgG, IgG1 e IgG2a) e IFNg que aquellos animales tratados con OVA/CpG-ODN. El coagel ASC16 ofrece varias ventajas como biomaterial para la preparación de vehículo: a)sus componentes son biodegradables (vitamina C, ácido graso esencial), b)la vitamina C conserva sus propiedades antioxidantes y es clasificada por la FDA como un antioxidante natural y seguro, c)es bien tolerado fisiológicamente y d)es posible desde el punto de vista técnico producirlo en gran escala. Hipótesis: creemos que con esta estrategia de vehiculización lograríamos la/s siguientes ventajas: a)aumentar la vida media de CpG-ODN aumentando la resistencia a nucleasas y/o logrando que CpG-ODN permanezca mayor tiempo tanto en el sitio de inyección como en los tejidos donde se induce la respuesta inmune, b)aumentar la internalización celular de CpG-ODN y del antígeno por células presentadoras de antígeno, c)crear un efecto “depot” (liberación sostenida en el tiempo) en el sitio de inyección. Objetivos: 1)evaluar la capacidad adyuvante de CpG-ODN vehiculizado en el coagel ASC16 2)estudiar el mecanismo por el cual el coagel ASC16 mejora la actividad adyuvante de CpG-ODN. Estudiaremos la influencia del coagel sobre CpG-ODN en la farmacocinética, biodistribución, “up-take” y activación celular, protección de nucleasas y liberación sostenida en el tiempo (“depot”). Además se evaluará si el coagel tiene actividad inflamatoria “per se”. Si bien aquí contemplamos el estudio de CpG-ODN en animales, hay que tener en cuenta que CpG-ODN tiene una alta posibilidad de ser aprobado para uso humano en un tiempo cercano. Esperamos establecer que CpG-ODN está apropiadamente formulado en el coagel, punto de partida para el desarrollo de un nuevo sistema portador de adyuvantes. Asi, la información obtenida podría constituir una plataforma para nuevos desarrollos biotecnológicos.

Materiales de interés tecnológico

Este es un proyecto que tiene por objetivo general dar continuidad a las investigaciones relacionadas a materiales de interés tecnológico que el Grupo Ciencia de Materiales de Fa.M.A.F lleva a cabo. Las diferentes líneas de trabajo se pueden agrupar en tres grandes temas: aceros y superaleaciones basadas en Fe y Ni; cerámicos magnéticos [filtros moleculares de sílice del tipo ZSM-5, MCM-41 y MCM-48 modificados con Fe, Co, Mn; hematita nanométrica] y aleaciones metálicas magnéticas [CoCu, nanohilos y multicapas de CoM y FeM (M= Pt y Pd); aleaciones de tipo Heusler Mn-Ni-Ga, aleaciones CoSiB y FeSiB nanoestructuradas ]. El primer tema apunta a la optimización de las propiedades mecánicas de aceros de medio carbono y baja aleación, de producción nacional y aptos para construcciones mecánicas, y al desarrollo de superaleaciones (Fe,Ni) de alta temperatura, para su aplicación en pequeñas Turbomáquinas Térmicas. En el caso de materiales magnéticos cerámicos y metálicos, el objetivo es la producción y el desarrollo de nanoestructuras novedosas, con propiedades especiales, de potencial uso en nano-dispositivos y nanotecnología en general. En todos los casos se plantea la producción del material de interés a escala laboratorio, con control de las variables del proceso, la caracterización de la microestructura resultante y sus propiedades relevantes. Luego se establecen las correlaciones proceso-microestructura y microestructura–propiedades y se formalizan en modelos para los diferentes mecanismos que operan tanto durante la etapa de proceso (modelos de solidificación, de deposición, de aleado mecánico) como los involucrados en las propiedades de interés (modelos de magnetización, transporte, deformación). En este esquema se busca optimizar las propiedades. El presente proyecto fortalecerá además el área Ciencia de Materiales en la Universidad Nacional de Córdoba, formando en el nivel de grado y posgrado a ingenieros y físicos en esta disciplina. En el área de materiales cerámicos magnéticas nos dedicaremos (en colaboración con CiTeQ-UTN-FRC) a la producción y caracterización de filtros moleculares de sílice de amplio uso en procesos de catálisis, modificados por la incorporación de especies magnéticas. La incorporación del material magnético se realizará mediante técnicas hidrotérmicas y de impregnación. Los composites obtenidos se estudiarán con dos propósitos: evaluar los efectos de la funcionalización magnética sobre el desempeño del filtro de sílice como catalizador de diferentes reacciones y describir las propiedades magnéticas de las pequeñas (2 a 5 nm) nanoestructuras encapsuladas en los poros. Se continuará con la producción y caracterización de partículas de ferritas, con propiedades determinadas a partir del control de los distintos parámetros que intervienen en la síntesis. En la línea de aleaciones metálicas magnéticas se estudiarán las aleaciones de Heusler, con memoria de forma magnetica, las aleaciones CuCo con magneto-resistencia gigante y las aleaciones (Co,Fe)SiB con magnetoimpedancia gigante. Se aplicará la técnica de melt spinning con dos rodillos, a la producción de estas aleaciones. En el caso de aceros de medio carbono el plan propuesto apunta a identificar los micromecanismos de deformación y fractura que pueden operar en estas microestructuras. Se realizará el "collar test" con el objetivo de propagar una grieta radialmente hacia el centro del collar y luego poder observar la sección de material que la contiene. Esta serie de experimentos y observaciones permitirán localizar el inicio de la grieta y avanzar sobre la determinación del tipo de partículas que actúan como intermediarios en la propagación. Se espera que estos antecedentes más los resultados metalográficos arrojen luz sobre los mecanismos de fractura del acero IRAM – IAS 15B41

An evaluation of septic tank effluent movement in soil and groundwater systems

Recent studies have shown that septic tank systems are a major source of groundwater pollution. Many public health workers feel that the most cri^cal aspect of the use of septic tanks as a means of sewage disposal is the contamination of private water wells with attendant human health hazards. In this study the movement and attenuation of septic tank effluents in a range of soil/overburden types and hydrogeological situations was investigated. The suitability of a number of chemical and biological tracer materials to monitor the movement of septic tank effluent constituents to groundwater sources was also examined. The investigation was divided into three separate but inteiTelated sections. In the first section of the study the movement of septic tank effluent from two soil treatment systems was investigated by direct measurements of soil nutrient concentrations and enteric bacterial numbers in the soil beneath and downgradient of the test systems. Two sites with different soil types and hydrogeological characteristics were used. The results indicated that the attenuation of the effluent in both of the treatment systems was incomplete. Migration of nitrate, ammonium, phosphate and fecal bacteria to a depth of 50 cm beneath the inverts of the distribution tiles was demonstrated on all sampling occasions. The lateral migration of the pollutants was less pronounced, although on occasions high nutrients levels and fecal bacterial numbers were detected at a lateral distance of 4.0 m downgradient of the test systems. There was evidence that the degree and extent of effluent migration was increased after periods of heavy or prolonged rainfall when the attenuating properties of the treatment systems were reduced as a result of saturation of the soil. The second part of the study examined the contamination of groundwaters downgradient of septic tank soil treatment systems. Three test sites were used in the investigation. The sites were chosen because of differences in the thicknesses and nature of the unsaturated zone available for effluent attenuation at each of the locations. A series of groundwater monitoring boreholes were installed downgradient of the test systems at each of the sites and these were sampled regularly to assess the efficiency of the overburden material in reducing the polluting potential of the wastewater. Effluent attenuation in the septic tank treatment systems was shown to be incomplete, resulting in chemical and microbiological contamination of the groundwaters downgradient of the systems. The nature and severity of groundwater contamination was dependent on the composition and thickness of the unsaturated zone and the extent of weathering in the underlying saturated bedrock. The movement of septic tank effluent through soil/overburdens to groundwater sources was investigated by adding a range of chemical and biological tracer materials to the three septic tank systems used in section two of the study. The results demonstrated that a single tracer type cannot be used to accurately monitor the movement of all effluent constituents through soils to groundwater. The combined use of lithium bromide and endospores of Bacillus globigii was found to give an accurate indication of the movement of both the chemical and biological effluent constituents.